Траектории возвращения космических аппаратов. Аэродинамический нагрев.

Траектории возвращения космических аппаратов. Аэродинамический нагрев.

Поле течения около затупленного тела при входе в атмосферу.

За фронтом ударной волны воздух сжимается и сильно нагревается, появляется ионизация, в результате чего в канале связи «аппарат-земля» возникает слой воздушной плазмы. Толщина слоя влияет на величину затухания.

Слой	Толщина слоя
Сжатый слой	В донной части – 1 м и более В носовой части – десятки см
Пограничный слой	до 10 мм
Ударная волна	десятки мм

Частицы теплозащитного покрытия уносятся и также ионизируются, из-за чего плазма становится не чисто воздушной. Поэтому ионизация у разных элементов абляционного покрытия различная.

Потенциалом ионизации называется минимальная энергия, с которой начинается ионизация. У щелочных металлов потенциал ионизации мал.

Виды бортовой аппаратуры возвращаемых космических аппаратов.

К видам бортовой РА относятся:

- связная аппаратура;

- телеметрическая аппаратура;

- система посадки;

- измерители траектории (радиовысотомеры, измерители угла места).

Непрерывную связь с аппаратом обеспечить невозможно, так как при спуске аппарата плотность атмосферы возрастает, кинетическая энергия переходит в тепловую (температура воздуха, обтекающего аппарат, может доходить до 5000 ), возникает явление ионизации.

Наиболее важной характеристикой является дальность действия, которая зависит от приемника, передатчика и свойств канала связи.

Важна также и диаграмма направленности, максимальная широта которой обеспечивается антенной в виде открытого конца волновода, а также КПД.

3. Характеристики бортовых антенн. Конструкции бортовых антенн.

Нагревостойкие радиопрозрачные диэлектрические материалы.

Линии равных фазовых постоянных

Частота соударений в плазме.

Типичные значения частот:

Нетрудно увидеть, что плазменная частота может быть как выше рабочей, так и ниже. Таким образом, для записанных частот плазма может быть как проводником, так и диэлектриком.

Для расчета частоты соударений существует формула:

где	– среднее значение скорости движения электронов (скорости электронов распределяются по закону Максвелла); pi – плотность i-того сорта частиц; Qi – эффективное сечение соударений i-той частицы.

Шумовая температура плазмы.

Плазма излучает в очень широком спектре в диапазоне СВЧ. Спектр этого излучения – сплошной (непрерывный). Излучение плазмы мы называем шумовым, потому что оно имеет, во-первых, широкий спектр, во-вторых, имеют место случайные законы изменения частоты и амплитуды. Излучение нам дает соударение электронов.

Если отвлечься от рассмотрения физики плазмы, то в оптике излучение (излучательная способность) описывается законом Планка или, в более частном случае, законом Рэлея-Джинса. Распространим этот закон и на плазму.

Закон Рэлея-Джинса определяет мощность излучения с единичной поверхности F в единичный телесный угол на единичной частоте:

где	– частота, на которой оцениваем мощность; Т – температура плазмы; с – скорость света; – единичный телесный угол.

Закон Рэлея-Джинса – это частный вид закона Планка для СВЧ.

Для реальных тел (и для плазмы) нужно учитывать степень черноты – отличие излучательной способности плазмы от абсолютно черного тела. Излучательную способность можем учесть введя постоянную затухания в плазме (А). Если говорим, что шум плазмы принимается бортовой антенной, а антенна работает на ПРМ, то тогда мощность шумов плазмы, принятая антенной и воспринятая приемником:

где	– линейная полоса пропускания.

Определяя мощность шумов, мы считаем плазму равновесной по температуре частиц плазмы. Говоря о равновесности, предполагаем, что температура частиц одинакова, а значит можем использовать температуру электронов в формуле для мощности:

При использовании этой формулы возникают трудности при определении затухания в плазме и температуры электронов. Не всегда затухание можно рассчитать несмотря на всю простоту предыдущих формул для расчета. Поэтому и формула выше, несмотря на использование только трех множителей, оказывается весьма сложной и часто не находит применения.

Расчеты показали, что шумовая температура плазмы может достигать тысячи градусов, однако нас интересует не сама она, а то, какая мощность будет создаваться при этой температуре. Эта мощность может быть соизмерима с мощностью принимаемого сигнала и даже превышать его. Это означает, что можем потерять полезный сигнал на фоне шумов плазмы.

Измерить мощность шумов (шумового сигнала) можно радиометром.

Диаграммасъёмное устройство

Штриховыми линиями показано греющая плазма. Другие обозначения на рисунке:

	прямоугольный волновод, соединённый по фланцу
	аттенюатор
	вентиль
	амплитудный модулятор
	усилитель
	коаксиальный кабель
	направленный ответвитель (сверху – согласованная нагрузка)

Зачем нужна развязка (вентиль)? В генераторах малой мощности обычно для генерации используется клистрон. Генерация происходит в резонаторе, на который работает клистрон, с него же и снимаем энергию. Если в резонатор попадает отраженная волна, происходит расстройка резонатора, меняется частота. Это малоприятное явление, т.к. должны работать на фиксированной частоте. Расстройки можно избежать с помощью вентиля.

СВЧ диод, установленный в тракте левого направленного ответвителя, выделяет модулированное колебание. С помощью левого тракта оцениваем мощность генератора, идущую на антенну. Правый направленный ответвитель, расположенный ближе к антенному окну, реагирует на отраженную мощность.

Зная подводимую и отраженную мощность, находим коэффициент отражения, который будет меняться из-за нагрева антенного окна и согласования антенного окна с трактом.

Таким образом, два направленных ответвителя работают на непрерывное вычисление коэффициента отражения.

Мы знаем, что антенна излучает в полупространство. Индикаторы, расположенные в этом полупространстве, работают как детекторы СВЧ. и выделяют модулирующий сигнал. Коаксиальным кабелем снимаем показания, электронный коммутатор коммутирует диоды (проводит быстрый опрос), но работаем уже не на самописец, а на цифро-печатающее устройство. Измерение индикаторами поля проводим в дискретные промежутки времени, когда ионизирующую плазму убираем из зоны измерения, при этом идет быстрое остывание, из чего следует, что убирать плазму должны на очень малый промежуток времени. Это определяет требование к быстродействию съема интересующей информации.

Так как обычно диаграмма изображается в графическом виде в сферических координатах (зависимость напряженности поля от функции угла), то показания диодов, расположенных на разных телесных углах, фиксируем на печатающем устройстве и используем для построения графика.

19. Методы улучшения характеристик бортовых антенн.

Траектории возвращения космических аппаратов. Аэродинамический нагрев.